DE10061674A1 - Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einen mit einem bestimmten Medium gefüllten Raum - Google Patents

Abstract

Zur kontaktlosen Einkopplung der Zündenergie in den Brennraum (3) eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Ottomotors mit direkter Einspritzung, wird eine galvanisch getrennte Übertragung der von einem Hochfrequenzgenerator (1) erzeugten Zündenergie auf eine in den Brennraum (3) hineinragende Zündelektrode (7) vorgeschlagen. Hierzu kann insbesondere ein Transformator oder Übertrager zur Anwendung kommen, dessen Primärwicklung (8) mit dem Hochfrequenzgenerator (1) verbunden ist, während die Sekundärwicklung (9) mit der Zündelektrode (7) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ener­ gieeinkopplung in einen mit einem bestimmten Medium gefüllten Raum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere be­ trifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Ener­ gieeinkopplung in einen mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch ge­ füllten Brennraum eines Verbrennungsmotors, um das Luft- Kraftstoff-Gemisch zu entzünden.

Zur Entzündung von Luft-Kraftstoff-Gemischen in Verbrennungs­ motoren werden in Ottomotoren fast ausschließlich Zündanlagen mit konventionellen Zündkerzen verwendet. Bei derartigen Zündanlagen erzeugt die von der Zündkerze bereitgestellte Zündenergie, welche im Brennraum des entsprechenden Verbren­ nungsmotors freigesetzt wird, eine Funkenentladung zwischen eng benachbarten Elektroden von Zündkerzen, wobei als Nach­ teil relativ hohe Wärmeverluste an den Zündkerzenelektroden auftreten. Die Übertragung der Zündenergie auf das Luft- Kraftstoff-Gemisch erfolgt durch direkten Kontakt des Zünd­ funkens mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, wodurch eine Ausbil­ dung von Flammenkernen nur in direkter Umgebung der Elektro­ den der Zündkerzen stattfindet. Zudem kann durch den Kontakt mit den relativ kalten Zündkerzenelektroden eine partielle Auslöschung des Flammenkerns erfolgen. Derartige als Quench­ verluste bezeichnete Verluste lassen sich bei konventionellen Zündanlagen nicht vermeiden.

Es wurde in der DE 196 36 712 A1 eine Möglichkeit zur Verbes­ serung des Zündverhaltens vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Zündelektroden gleichzeitig im Brennraum anzuordnen und mit der Zündspannung zu beaufschlagen sind. Auf diese Weise werden gleichzeitig mehrere Flammenkerne ausgebildet, so dass eine Zündzone größerer Ausdehnung erzeugt werden kann, welche eine sichere Zündung auch problematischer Luft-Kraftstoff- Gemische erlauben soll. Ein mit diesem Zündsystem verbundenes Problem ist jedoch der hohe konstruktive Aufwand zur Bereit­ stellung geeigneter Zündkerzen sowie der benötigte Bauraum am Verbrennungsmotor selbst.

Es wurden daher Zündverfahren für die Zündung von Luft- Kraftstoff-Gemischen bei Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, wobei mit Hilfe von Plasmaentladungen thermische Energie in den Brennraum des jeweiligen Verbrennungsmotors eingebracht bzw. eingekoppelt wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden. Bei derartigen Plasmazündungen wird durch eine in den Brennraum hineinragende Elektrode das in dem Brennraum befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch dadurch entzündet, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch ein Hochfrequenzfeld aus­ reichender Energie auf eine reaktionsfähige Temperatur ge­ bracht wird, indem das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch das von der Elektrode in den Brennraum eingekoppelte Hochfrequenzfeld in den elektrisch leitfähigen Plasmazustand gebracht wird.

Eine derartige gattungsgemäße und auf Plasmaentladung bzw. Plasmazündung basierende Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 211 133 B1 bekannt. Dabei ist eine als Zündkerze dienende Elektrode, welche in den Brennraum eines Verbren­ nungsmotors hineinragt, direkt mit einem über einen Leis­ tungsschalter getakteten Hochfrequenzgenerator verbunden. Die von dem Hochfrequenzgenerator erzeugte Hochfrequenzleis­ tung/Hochfrequenzenergie wird in ein von der Elektrode in den Brennraum des jeweiligen Verbrennungsmotors abgestrahltes Hochfrequenzfeld zur Plasmazündung des darin befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches abgestrahlt. Der Hochfrequenzgene­ rator arbeitet als Leistungsoszillator. Um sicherzustellen, dass das von der Elektrode abgestrahlte Hochfrequenzfeld auch zur Ionisation des Luft-Kraftstoff-Gemisches ausreicht, wird in der EP 0 211 133 B1 vorgeschlagen, auf die Elektrode di­ rekt einen Spulenresonator aufzusetzen, wobei die Elektrode mit dem Spulenresonator abgestimmt ist, um die Ausgangsspan­ nung des Hochfrequenzgenerators auf den zur Ionisation not­ wendigen hohen Pegel zu bringen.

Darüber hinaus wurde in der DE 197 47 701 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, das von der Elektrode abgestrahlte Hochfre­ quenzfeld derart auf eine hohe Spannung zu regeln, dass sich an der Elektrode in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch gleichzeitig eine Mehrzahl hochohmiger Plasmafäden kurzer Dauer ausbilden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündverfahren durch länger brennende, stationäre Plasmen wird durch diese Vorgehensweise eine Anzahl sich kurzzeitig und intensiv ausbildender Plasma­ fäden erzeugt, welche zu kurzzeitigen, intensiven Entladungen des Plasmas führen und viele Flammenkerne in dem Luft- Kraftstoff-Gemisch hervorrufen, wodurch sich ein besonders gutes Zündverhalten des Luft-Kraftstoff-Gemisches erreichen lässt. Hierzu kann die Geometrie der Elektrode derart gewählt werden, dass Feldstärkeüberhöhungen des von der Elektrode ab­ gestrahlten Hochfrequenzfeldes hervorgerufen werden, welche zur Bildung der kurzzeitigen Plasmafäden in dem Luft- Kraftstoff-Gemisch führen.

Bei derartigen herkömmlichen gattungsgemäßen Zündvorrichtun­ gen ist die Anordnung aufgrund des direkten Kontakts zwischen der in den Brennraum hineinragenden Elektrode und dem Hoch­ frequenzgenerator an der Kontaktstelle gegenüber Verschmut­ zung anfällig, was somit für die Zündung des in dem Brennraum befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches eine Fehlerquelle dar­ stellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einen mit einem bestimmten Medium, insbesondere mit einem Luft-Kraftstoff- Gemisch, gefüllten Raum bereitzustellen, bei dem dieses Prob­ lem gelöst und auf möglichst einfache Art und Weise eine zu­ verlässige Energieeinkopplung in den Raum gewährleistet ist, um beispielsweise ein in dem Raum befindliches Luft- Kraftstoff-Gemisch zu entzünden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst. Die Unteran­ sprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Aus­ führungsformen der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die in den jeweiligen Raum hineinragende Elektrode nicht direkt mit dem Hochfre­ quenzgenerator zu verbinden, sondern stattdessen eine galva­ nisch getrennte Kopplung zwischen der Elektrode und dem Hoch­ frequenzgenerator vorzusehen, so dass die von dem Hochfre­ quenzgenerator erzeugte Hochfrequenzenergie ohne galvanischen Kontakt zwischen der Elektrode und dem Hochfrequenzgenerator an die Elektrode übertragen wird, d. h. die Hochfrequenzener­ gie des Hochfrequenzgenerators wird kontaktlos in den ent­ sprechenden Raum eingekoppelt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Hochfrequenzenergie ohne galvanischen Kontakt mittels einer elektromagnetischen Kopp­ lung zu übertragen, wobei hierzu ein Übertrager bzw. Trans­ formator verwendet wird, welcher in die entsprechende Zünd­ kerze integriert oder auf die entsprechende Zündkerze auch nur aufgesteckt werden kann. Dabei weist der Übertrager eine Primärwicklung auf, welche (galvanisch) mit dem Hochfrequenz­ generator verbunden ist, während eine Sekundärwicklung des Übertragers (galvanisch) mit der in den jeweiligen Raum hin­ einragenden Elektrode verbunden ist.

Die Sekundärwicklung des Übertragers umfasst dabei vorzugs­ weise eine Vielzahl von Windungen, welche die Elektrode spi­ ralförmig umgeben. Ein Ende der Sekundärwicklung ist an die Elektrode angeschlossen, während ein anderes Ende mit dem Massepotential, vorzugsweise mit einer Masseelektrode der entsprechenden Zündkerze, verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung eignet sich bevorzugt zur Energie­ einkopplung in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, bei­ spielsweise eines Ottomotors mit direkter Einspritzung, um ein in dem Brennraum befindliches Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels Plasmaentladung zu entzünden. Selbstverständlich ist jedoch die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf ande­ re Anwendungsgebiete anwendbar. Ebenso sind grundsätzlich an­ stelle der zuvor beschriebenen magnetischen Kopplung zwischen der Elektrode und dem Hochfrequenzgenerator auch andere Kopp­ lungsarten denkbar, welche eine kontaktlose, d. h. galvanisch entkoppelte, Übertragung der von dem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzleistung bzw. Hochfrequenzenergie an die Elektrode ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels näher beschrieben.

Dabei zeigt die einzige Figur eine Darstellung der Einzeltei­ le einer zum Entzünden eines in einem Brennraum 3 eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Ottomotors mit di­ rekter Einspritzung, befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches vorgesehenen Zündkerze 5.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Gehäuse der Zündkerze 5 eine Zündelektrode 7 angeordnet, welche in den von einem Brennraumgehäuse 4 begrenzten Brenn­ raum 3 des Verbrennungsmotors hineinragt. Von einem Hochfre­ quenzgenerator 1 wird ein Hochfrequenzleistungssignal mit ei­ ner Frequenz von vorzugsweise mehreren kHz erzeugt, welches von einem Verstärker 2 verstärkt und der Zündelektrode 7 zu­ geführt wird.

Zu diesem Zweck ist ein Übertrager vorgesehen, dessen Primär­ wicklung 8 mit dem Verstärker 2 bzw. dem Hochfrequenzgenera­ tor 1 verbunden ist. Die Primärwicklung 8 des Übertragers verläuft in einer Hülse 10 aus vorzugsweise ferromagnetischem Material, welche auf das Gehäuse der Zündkerze 5 gesteckt ist und dieses ringförmig umgibt. Im Gegensatz zu dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel kann die Hülse 10 selbstverständlich auch derart ausgestaltet sein, dass sie sich zylinderförmig über die gesamte Länge des Gehäuses der Zündkerze 5 er­ streckt.

Im Inneren der Zündkerze 5 ist mindestens eine Sekundärwick­ lung 9 des Übertragers angeordnet, welche spiralförmig die Zündelektrode 7 umgibt. Diese Sekundärwicklung 9 ist mit ih­ rem einen Ende direkt mit der in den Brennraum 3 hineinragen­ den Zündelektrode 7 verbunden, während ihr anderes Ende über einen das Brennraumgehäuse 4 kontaktierenden Masseelektroden­ anschluss 6 der Zündkerze 5 mit dem Massepotential verbunden ist.

Auf diese Weise ist kein galvanischer Kontakt zwischen der Zündelektrode 7 und dem Verstärker 2 bzw. dem Hochfrequenzge­ nerator 1 erforderlich, sondern die von dem Hochfrequenzgene­ rator erzeugte Hochfrequenz- bzw. Zündenergie wird galvanisch entkoppelt mittels des Übertragers 8, 9 auf die Zündelektrode 7 übertragen, welche auf Grundlage dieser Hochfrequenzenergie ein entsprechendes Hochfrequenzfeld in den Brennraum 3 ab­ strahlt, um das darin befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden. Auf diese Weise ist eine verschmutzungssichere Einkopplung der Zündenergie gewährleistet. Des Weiteren lässt sich die dargestellte Zündvorrichtung einfach montieren und warten.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Primärwicklung 8 mit der Hülse 10 auf die Zündkerze 5 aufgesteckt. Selbstverständlich ist auch denkbar, den gesam­ ten Übertrager in die Zündkerze 5 zu integrieren. Ebenso ist denkbar, die Sekundärwicklung 9 außerhalb des Gehäuses der Zündkerze Verlaufen zu lassen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einen mit einem bestimmten Medium gefüllten Raum, mit einer mit einem Hochfrequenzgenerator (1) über Kopplungs­ mittel (8, 9) zu koppelnden Elektrode (7) zur Abstrahlung ei­ nes Hochfrequenzfelds in den Raum (3) auf Grundlage einer von dem Hochfrequenzgenerator (1) erzeugten Hochfrequenzenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel (8, 9) zur galvanisch getrennten Ü­ bertragung der von dem Hochfrequenzgenerator (1) erzeugten Hochfrequenzenergie an die Elektrode (7) ausgestaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel einen Übertrager (8, 9) zur Übertra­ gung der von dem Hochfrequenzgenerator (1) erzeugten Hochfre­ quenzenergie an die Elektrode (7) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager eine mit dem Hochfrequenzgenerator (1) verbundene Primärwicklung (8) und mindestens eine mit der Elektrode (7) verbundene Sekundärwicklung (9) umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Sekundärwicklung (9) des Übertragers in ein die Elektrode (7) aufweisendes Gehäuse (5) integriert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (8) des Übertragers in einer Hülse (10) angeordnet ist, welche auf ein die Elektrode (7) aufwei­ sendes Gehäuse (5) aufgesteckt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (9) des Übertragers die Elektrode (7) umgebend angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (9) des Übertragers eine Vielzahl von Windungen aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (9) des Übertragers mit einem Ende mit der Elektrode (7) und mit einem anderen Ende mit einem Massepotential verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einem mit ei­ nem Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllten Brennraum (3) eines Verbrennungsmotors zur Entzündung des Luft-Kraftstoff- Gemisches ausgestaltet ist.